1-高吸水性高分子材料教程课件.ppt
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- 吸水性 高分子材料 教程 课件
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1、纳米复合材料与器件纳米复合材料与器件1 1、具有选择分离功能的高分子材料;具有选择分离功能的高分子材料;2 2、聚合物基复合材料;聚合物基复合材料;3 3、纳米复合材料(相关理论及共性);纳米复合材料(相关理论及共性);4 4、纳米功能陶瓷;纳米功能陶瓷;5 5、功能玻璃;功能玻璃;6 6、纳米纤维材料;纳米纤维材料;7 7、隐身材料;隐身材料;8 8、纳米磁性复合材料及生物医用材料;纳米磁性复合材料及生物医用材料;9 9、导电高分子、环保纳米复合材料;导电高分子、环保纳米复合材料;1010、具有化学功能的高分子具有化学功能的高分子1具有选择分离功能的高分子材料具有选择分离功能的高分子材料2
2、1 1、高吸水性高分子材料;、高吸水性高分子材料; 2 2、离子交换树脂、离子交换树脂3功能高分子材料:指在高分子链上接上带有功能高分子材料:指在高分子链上接上带有某种功能的宫能团,使其在物理、化学、生某种功能的宫能团,使其在物理、化学、生物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。几种功能高分子材料的应用几种功能高分子材料的应用: :(1 1)高吸水性材料)高吸水性材料 亲水性高聚物亲水性高聚物(分子链带有许多亲水原子团)(分子链带有许多亲水原子团)旱地种植旱地种植、改良土壤、改造沙漠、改良土壤、改造沙漠、尿不湿尿不湿等等45强吸水能力的功能高分子材料:强
3、吸水能力的功能高分子材料:如无土栽培、改良土如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。壤、改造沙漠等。 保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害,保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害,反复吸水、释水反复吸水、释水 “ “微型水库微型水库”。同时,它还能吸收肥料、。同时,它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放,增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农药、并缓慢释放,增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑等。农业、林业、园艺、建筑等。 67聚丙烯腈水解物聚丙烯腈水解物 将聚丙烯腈用碱性化合物水解,再经将聚丙烯腈用碱性化合物水解,再经交联剂交联,即得高吸水性树脂。交联剂交
4、联,即得高吸水性树脂。如将废晴纶丝水解后用氢氧化钠交联的产物即如将废晴纶丝水解后用氢氧化钠交联的产物即为此类。由于氰基的水解不易彻底,产品中为此类。由于氰基的水解不易彻底,产品中亲水基团含量较低,故这类产品的吸水倍率亲水基团含量较低,故这类产品的吸水倍率不太高,一般在不太高,一般在50050010001000倍左右。倍左右。高吸水性树脂高吸水性树脂8时代周刊时代周刊评出评出2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项发明,其中项发明,其中“尿不湿尿不湿” ” 榜上有名榜上有名 为什么为什么“尿不湿尿不湿” ” 能评为能评为2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项发明呢项发明呢? ?最初
5、是为谁专门设计的呢?最初是为谁专门设计的呢?9 美国在上世纪六十年代初,航天事业崛起,如何解决美国在上世纪六十年代初,航天事业崛起,如何解决宇航员的排尿问题迫在眉睫,华人宇航员的排尿问题迫在眉睫,华人唐鑫源唐鑫源成为成为“尿不湿尿不湿”的发明人,后来他被誉为美国的发明人,后来他被誉为美国“太空服之父太空服之父”。10“神舟神舟”系列上天的航天员都使用了系列上天的航天员都使用了“尿不湿尿不湿” ” 航天员专用航天员专用“尿不湿尿不湿”1 1克克能吸收约能吸收约10001000克克水水 ,吸水性远强于一般婴儿使用的吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿尿不湿” ” 11 “尿不湿尿不湿”是航天产品是航
6、天产品“下凡下凡”的成功典范!现的成功典范!现在不仅是婴幼儿使用,还有供特殊成人使用的,在不仅是婴幼儿使用,还有供特殊成人使用的,更有趣的是有些更有趣的是有些宠物也系上了宠物也系上了“尿不湿尿不湿”出门溜出门溜达,以保护公共卫生。达,以保护公共卫生。 资料显示:资料显示:19871987年年,英国,英国一次性尿布销一次性尿布销售利润达售利润达2 2亿英亿英镑。设想一下镑。设想一下我们中国这样我们中国这样一个人口大国,一个人口大国,利润有多么惊利润有多么惊人!人! 12前前后后13 “ “尿不湿尿不湿”起作用的物质是一种起作用的物质是一种功能高分子功能高分子材料,材料,具有具有很强的吸水能力很强
7、的吸水能力。它所用的材料是高吸水性树。它所用的材料是高吸水性树脂(常用网状结构的聚丙烯酸钠脂(常用网状结构的聚丙烯酸钠) )聚丙烯酸钠如何合成?聚丙烯酸钠如何合成?CHCH2 2=CHCOOH CH=CHCOOH CH2 2=CHCOONa =CHCOONa 加加交联剂交联剂得网状结构得网状结构14吸水机理吸水机理 基于高分子电解质的离子网络理论:在高基于高分子电解质的离子网络理论:在高分子电解质的立体网络构造的分子间,存分子电解质的立体网络构造的分子间,存在可移动的离子对,由于显示高分子电解在可移动的离子对,由于显示高分子电解质电荷吸引力强弱的质电荷吸引力强弱的可移动离子浓度可移动离子浓度,
8、在,在高吸水性树脂的内侧比外侧高,即产生渗高吸水性树脂的内侧比外侧高,即产生渗透压。透压。 渗透压及水和高分子电解质之间的亲和力渗透压及水和高分子电解质之间的亲和力,产生了异常的吸水现象。产生了异常的吸水现象。15实例:实例:含羧酸钠盐的高吸水性树脂在未接触含羧酸钠盐的高吸水性树脂在未接触水时是固态网络,与水接触后亲水基与水作水时是固态网络,与水接触后亲水基与水作用,水渗入树脂内部,羧酸基解离成羧酸根用,水渗入树脂内部,羧酸基解离成羧酸根和和NaNa+ +, ,羧酸根不能往水中扩散,羧酸根不能往水中扩散, NaNa+ +也不能自也不能自由渗入水中,这样网络内外有渗透压,使水由渗入水中,这样网络
9、内外有渗透压,使水分子渗入网络内。分子渗入网络内。这样高分子链间出现纯溶剂区,部分这样高分子链间出现纯溶剂区,部分NaNa+ +, ,向向纯溶剂区扩散,导致高分子链上带净电荷,纯溶剂区扩散,导致高分子链上带净电荷,静电斥力使高分子网束扩展,大量水分子封静电斥力使高分子网束扩展,大量水分子封存在高分子网内,因为受网络结构束缚,水存在高分子网内,因为受网络结构束缚,水分子运动受到限制,阻挡失水。分子运动受到限制,阻挡失水。16 高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构,使其既有吸水性而又不溶于水,构为体型结构,使其既有吸水性而又不溶于水,耐挤压。耐挤压。
10、前前后后17高吸水性树脂的高吸水性树脂的结构特征:结构特征: a.分子中具有强亲水性基团,如羟基、分子中具有强亲水性基团,如羟基、羧基,能够与水分子形成氢键;羧基,能够与水分子形成氢键; b.b.树脂具有树脂具有交联结构交联结构; c.c.聚合物内部具有较高的离子浓度;聚合物内部具有较高的离子浓度; d.d.聚合物具有较高的分子量。聚合物具有较高的分子量。18高吸水性树脂的基本特征高吸水性树脂的基本特征 1 1、吸水性:吸水量为其重量的、吸水性:吸水量为其重量的500-1000500-1000倍,最大倍,最大可达到可达到53005300倍。倍。交联度很重要:未交联的聚合物是水溶性的无吸水交联度
11、很重要:未交联的聚合物是水溶性的无吸水性,如果交联度过大,网络空间减小,会降低吸性,如果交联度过大,网络空间减小,会降低吸水能力。水能力。2 2、保水性:高吸水性树脂吸收水就溶胀为凝胶状,、保水性:高吸水性树脂吸收水就溶胀为凝胶状,高分子网络被扩展而具有一定的弹性,高分子网络被扩展而具有一定的弹性,在加压下在加压下也挤不出水来也挤不出水来,而且吸水性树脂可与环境水份保,而且吸水性树脂可与环境水份保持平衡。持平衡。193 3、吸水状态的凝胶强度、吸水状态的凝胶强度树脂具有一定的交联密度,故凝胶强度高,不易破碎。树脂具有一定的交联密度,故凝胶强度高,不易破碎。4 4、吸氨性、吸氨性高分子树脂是含羧
12、基的阴离子聚合物,由于部分羧基高分子树脂是含羧基的阴离子聚合物,由于部分羧基被中和,部分呈酸性,故可吸氨,具有除臭作用。被中和,部分呈酸性,故可吸氨,具有除臭作用。20纤维素的结构简式纤维素的结构简式 传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性?传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性? 发现其每个链节上都有发现其每个链节上都有OHOH,它是一种亲水基,它是一种亲水基 2122 上世纪上世纪7070年代发展起来的亲水隐形眼镜具有年代发展起来的亲水隐形眼镜具有特点:特点:吸收相当于自重吸收相当于自重80%80%水,才变得柔软、透水,才变得柔软、透气、舒适、戴时长气、舒适、戴时长 制备隐形眼镜所用的原料
13、主要是制备隐形眼镜所用的原料主要是丙烯酸羟乙酯丙烯酸羟乙酯(CHCH2 2=CHCOOCH=CHCOOCH2 2CHCH2 2OHOH) 23高吸水性树脂的应用开发高吸水性树脂的应用开发(1 1)农业应用方面)农业应用方面a. a. 土壤保水剂、改良剂。由于高吸水性树脂土壤保水剂、改良剂。由于高吸水性树脂具有惊人的吸水性和保水性,因而可用作具有惊人的吸水性和保水性,因而可用作土壤土壤保水剂保水剂。在天旱、水土流失严重的土。在天旱、水土流失严重的土壤中添加少量此类树脂,即能改善土壤的壤中添加少量此类树脂,即能改善土壤的湿度及透气性,现已在阿拉伯沙漠中应用。湿度及透气性,现已在阿拉伯沙漠中应用。2
14、4b. b. 植物幼苗移植用保水剂。植物幼苗移植用保水剂。 将移植树苗的根部在含将移植树苗的根部在含1 1高吸水性树脂的高吸水性树脂的凝胶中处理后,大大延长了移植保存期,凝胶中处理后,大大延长了移植保存期,并提高了树苗成活率。它还可用于提高蔬并提高了树苗成活率。它还可用于提高蔬菜等其它农作物幼苗移植成活率,如烟草菜等其它农作物幼苗移植成活率,如烟草在移栽过程中使用淀粉吸水树脂可提高成在移栽过程中使用淀粉吸水树脂可提高成活率活率3030左右。目前在国外市场上已有专左右。目前在国外市场上已有专供植树用的保水剂出售。供植树用的保水剂出售。25c. c. 提高种子发芽率。提高种子发芽率。 高吸水性树脂
15、可用于保护蔬菜、大豆、小高吸水性树脂可用于保护蔬菜、大豆、小麦、玉米等种子所需要的水分,提高发芽麦、玉米等种子所需要的水分,提高发芽率率5 51010,增产,增产5 53030。如将树脂与草。如将树脂与草籽拌种,会大大提高飞机插种植草的成活籽拌种,会大大提高飞机插种植草的成活率。率。26d. d. 果、蔬保鲜剂。果、蔬保鲜剂。 水果、蔬菜在一般条件下难以保鲜。现用水果、蔬菜在一般条件下难以保鲜。现用高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包装薄膜,用于包装水果、蔬菜,可在一定装薄膜,用于包装水果、蔬菜,可在一定程度上调节局部体系的气氛、湿度,从而程度上调节局部体系
16、的气氛、湿度,从而有效地控制水果、蔬菜的呼吸代谢,保鲜有效地控制水果、蔬菜的呼吸代谢,保鲜效果很好。效果很好。27(2 2)工业应用方面)工业应用方面 a. a. 涂料添加剂。涂料添加剂。由于高吸水性树脂具有平由于高吸水性树脂具有平衡水分的功能,在高湿度下能吸收水分,衡水分的功能,在高湿度下能吸收水分,在低湿度下又能释放水分。为此可制造涂在低湿度下又能释放水分。为此可制造涂料涂覆于无纺布上,用于内墙装饰防止结料涂覆于无纺布上,用于内墙装饰防止结露。含有这种树脂的涂料用于电子仪表上露。含有这种树脂的涂料用于电子仪表上可作为防潮剂。可作为防潮剂。28b. b. 工业脱水剂。工业脱水剂。高吸水性树脂
17、对有机物的吸收能力较差,因高吸水性树脂对有机物的吸收能力较差,因而可脱除苯类、石油类等与水不相溶的物而可脱除苯类、石油类等与水不相溶的物质中的水分,效果很好。质中的水分,效果很好。29c. c. 建筑工程中的应用。建筑工程中的应用。 在许多建筑工程和地下工程中,高吸水性树脂的在许多建筑工程和地下工程中,高吸水性树脂的应用越来越受到重视。应用越来越受到重视。例如将树脂混在堵塞用的橡胶或混凝土中可作堵水例如将树脂混在堵塞用的橡胶或混凝土中可作堵水剂;剂;与聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、各种橡胶等与聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、各种橡胶等配合可作水密封剂;配合可作水密封剂;还可用作水泥养护剂,在
18、水泥中加入少量高吸水性还可用作水泥养护剂,在水泥中加入少量高吸水性树脂,可吸收保持大量水分并缓慢放出,保证了树脂,可吸收保持大量水分并缓慢放出,保证了水泥内部水化完全、均匀,水泥制件强度高。水泥内部水化完全、均匀,水泥制件强度高。30(3 3)医用材料方面)医用材料方面 把高吸水性树脂添加于纸或纤维中,制作可吸收把高吸水性树脂添加于纸或纤维中,制作可吸收液体的卫生纸、垫褥、绷带、外科手术垫等。液体的卫生纸、垫褥、绷带、外科手术垫等。其制作方法是:把高吸水性树脂粉末撒在薄砂纸上,其制作方法是:把高吸水性树脂粉末撒在薄砂纸上,上面放上吸收纸做成夹层,在水汽中润湿后再用上面放上吸收纸做成夹层,在水汽
19、中润湿后再用压纹法将树脂固定在纸上,通过一次或数次工艺压纹法将树脂固定在纸上,通过一次或数次工艺即可制得具有超级吸水能力的产品,含即可制得具有超级吸水能力的产品,含0.4g0.4g吸水吸水树脂的这种纸制品(总重量树脂的这种纸制品(总重量5.5g5.5g)可吸收)可吸收121g121g水,水,吸尿能力为吸尿能力为404050g50g。31高吸水性树脂部分地水作用后可制得一种水高吸水性树脂部分地水作用后可制得一种水凝胶凝胶 用其医治动物皮肤创伤、处理褥疮、溃疡用其医治动物皮肤创伤、处理褥疮、溃疡病特别有效,感染少,焦痂少。病特别有效,感染少,焦痂少。 吸收树脂凝胶还可抑制血浆蛋白质和血小吸收树脂凝
20、胶还可抑制血浆蛋白质和血小板的粘着,因而可作抗血栓材料。用高吸板的粘着,因而可作抗血栓材料。用高吸水性树脂制成人工肾过滤材料,可以调节水性树脂制成人工肾过滤材料,可以调节血液中水分含量。将树脂添加于药物中可血液中水分含量。将树脂添加于药物中可改善在人体内的释放速度,从而大大提高改善在人体内的释放速度,从而大大提高药效。药效。32离子交换树脂离子交换树脂33 物质的分离是化学、化工的一个重要课题。物质的分离是化学、化工的一个重要课题。 化工单元操作中常见的分离方法有筛分、化工单元操作中常见的分离方法有筛分、过滤和蒸馏等,然而具有高层次的分离则过滤和蒸馏等,然而具有高层次的分离则难以达到精度。难以
21、达到精度。 具有选择分离功能的高分子材料具有选择分离功能的高分子材料的出现则的出现则有效地解决了以上的问题。有效地解决了以上的问题。34离子交换树脂离子交换树脂 在在100100多年前英国人多年前英国人ThompsonThompson和和WayWay就发现了土壤就发现了土壤中的离子交换过程,从而引起人们极大的注意。中的离子交换过程,从而引起人们极大的注意。 19351935年年AdamsAdams和和HolmesHolmes研究合成了具有离子交换功研究合成了具有离子交换功能的高分子材料能的高分子材料酚醛型离子交换树脂,酚醛型离子交换树脂, 后来各种类型的离子交换树脂相继出现,应用技后来各种类型
22、的离子交换树脂相继出现,应用技术不断改善,应用范围也日益扩大。术不断改善,应用范围也日益扩大。 现在,离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化现在,离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化学功能高分子材料。学功能高分子材料。35离子交换树脂是离子交换树脂是带有官能团带有官能团( (有交换离子的活性有交换离子的活性基团基团) )、具有网状结构、不溶性的高分子化合物、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。是。是最早工业化的功能高分子材料,通常是球形颗粒物。最早工业化的功能高分子材料,通常是球形颗粒物。 经过各种官能化的树脂(聚苯乙烯),含有经过各种官能化的树脂(聚苯乙烯),含有H H+ +离离子结构,能交换
23、各种阳离子的称为子结构,能交换各种阳离子的称为阳离子交换树脂阳离子交换树脂,含有含有OHOH- -离子结构能交换各种阴离子的称为离子结构能交换各种阴离子的称为阴离子交阴离子交换树脂换树脂。 它们主要用于它们主要用于水的处理水的处理。离子交换膜还可以用于。离子交换膜还可以用于饮用水处理、饮用水处理、海水淡化海水淡化、废水处理、牛奶和酱油的脱、废水处理、牛奶和酱油的脱盐、酸的回收以及作为电解隔膜和盐、酸的回收以及作为电解隔膜和电池隔膜电池隔膜。3637离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类 离子交换树脂是一类能显示离子交换功能的高分离子交换树脂是一类能显示离子交换功能的高分子材料。子材料。 在其大分
24、子骨架的主链上带有许多化学基团,这在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团,这些化学基团由些化学基团由两种带有相反电荷的离子两种带有相反电荷的离子组成,组成,一种是以化学键结合在主链上的一种是以化学键结合在主链上的固定离子固定离子;另一种;另一种是以离子键与固定离子相结合的是以离子键与固定离子相结合的反离子反离子。38 反离子可以被离解成为能自由移动的离子,反离子可以被离解成为能自由移动的离子,并在一定条件下可与周围的其它同类型离并在一定条件下可与周围的其它同类型离子进行交换。子进行交换。 离子交换反应一般是可逆的,在一定条件离子交换反应一般是可逆的,在一定条件下被交换上的离子可以解吸,使离子交
25、换下被交换上的离子可以解吸,使离子交换树脂再生,因而可反复利用。树脂再生,因而可反复利用。39 目前使用的离子交换树脂绝大多数是以目前使用的离子交换树脂绝大多数是以苯乙烯二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其苯乙烯二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的,二衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的,二乙烯苯起了交联剂的作用。乙烯苯起了交联剂的作用。 树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融,树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融,保证它在受热或介质中正常工作。保证它在受热或介质中正常工作。 离子交换树脂的交联度通常以离子交换树脂的交联度通常以交联剂交联剂在在整个单体中的百分含量来表示。整个单体中的百分含量来表
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